動車輪軸材料服役安全及評價

彭金方 朱旻昊

摘 要：隨著高速鐵路不斷發(fā)展，列車輪軸材料的服役條件也越來越嚴苛，而輪軸高可靠性是列車運行安全的前提。文章簡述鐵路列車輪軸材料及制備工藝，詳細介紹輪軸的失效形式、損傷機理、失效影響因素、壽命檢測評估方法及防護措施，并提出今后的研究展望。

關(guān)鍵詞：高速鐵路;動車輪軸材料;疲勞斷裂;失效;防護;損傷分析

中圖分類號：U213.9

輪軸作為鐵路列車關(guān)鍵部件，不但要承載著列車全部重量，同時也為機車運動提供動力。一旦列車輪軸材料發(fā)生疲勞破壞，將嚴重威脅列車安全運行，甚至引起列車脫軌的重大事故，危及乘客生命財產(chǎn)安全。在鐵路及機車發(fā)展史上，由于輪軸材料失效導致的事故屢見不鮮。1998年6月4日，德國ICE高速列車脫軌，由于采用彈性車輪，其輪箍結(jié)構(gòu)疲勞強度不足，服役中未及時偵測發(fā)現(xiàn)，造成車輪疲勞崩裂;10年后又因車軸疲勞斷裂，導致ICE高速列車在德國科隆列車總站附近脫軌，所幸當時列車運行速度不高，沒有造成人員傷亡[1]。我國高速鐵路起步雖晚于歐、美、日等國家，但經(jīng)過十幾年的發(fā)展，高速鐵路網(wǎng)已初具規(guī)模，運營里程躍居世界首位。復興號作為我國完全自主研制開發(fā)的動車組列車，其最高運行速度可達400km/h。而列車運行速度越高，其零部件、輪軸用材料服役環(huán)境越惡劣，對其安全性和可靠性要求就越高。因此，列車輪軸用材料安全服役性能問題越來越受到人們的關(guān)注，也成為近幾十年的研究熱點之一。而相應(yīng)研究成果也更好地服務(wù)于新一代軌道交通輪軸用材料的開發(fā)和設(shè)計。文章結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究工作，從材料、失效、防護措施及評價手段等方面對軌道交通用輪軸進行介紹。

1 輪軸材料及性能

1.1 輪對

1825年世界出現(xiàn)了第一條鐵路，之后鐵路技術(shù)一直朝著高速重載方向穩(wěn)步發(fā)展，高速列車的出現(xiàn)具有劃時代意義。目前，新建線路運行速度在250km/h以上，既有線運行速度在200km/h以上的鐵路被稱為高速鐵路。高速鐵路的發(fā)展對列車輪對性能、服役安全方面提出了更高要求。輪對一般由車輪、輪心和輪箍組成，而高速動車組一般采用整體車輪方案，車輪不再有輪心和輪箍之分。高速動車組輪對分為動車輪對和拖車輪對：動車輪對通常安裝齒輪箱以提供列車前進的牽引力;拖車輪對上安裝2～3個制動盤以提供列車制動時的阻力。輪對作用力主要用于[2]承受載荷和沖擊、提供牽引力或制動力、滾動使車輛前進。圖1為我國某型號高速動車組輪對組裝圖。

1.2 材料

為了適應(yīng)重載列車對車輪性能的要求，美國鐵路協(xié)會在提高鑄鋼輪耐磨性的同時，通過添加適當含量的Cr元素以改善鋼輪韌性，取得了良好效果?。研究表明，在輪軸用鋼方面合金化具有明顯的優(yōu)勢，添加V、Mo、Mn元素可以明顯改善鋼材韌性。隨著時間推移，列車輪軸材料制備與選用發(fā)生了相應(yīng)變化[4]。早期，針對國內(nèi)低速列車，車輪用材以CL60鋼為主，車軸材料多為LZ50鋼。CL60為亞共析鋼，強度、硬度和彈性都很高，但是冷變形時塑性較低，切削性較差，焊接和淬透性差。隨著鐵路運營速度提高，車輪受力狀態(tài)變得更加復雜，輪軌磨損加劇，車輪疲勞失效現(xiàn)象較為嚴重，因此車輪用材需要更優(yōu)良的綜合性能。馬鞍山鋼鐵技術(shù)中心與西安交通大學于2000年共同研發(fā)了一種含微釩車輪用鋼，用于速度200km/h的列車[4]。2014年，中國鐵路總公司設(shè)立重大課題“動車組關(guān)鍵技術(shù)自主創(chuàng)新深化研究——時速350km中國標準動車組輪軸設(shè)計研究”，主要針對車輪服役中達到速度300km/h時出現(xiàn)的多邊形問題，在兼顧材料韌性同時提高其硬度和相變點，成功研制一種中碳Si-V微合金化D2車輪，使得合金元素固溶強化作用和細晶強化作用充分發(fā)揮[5]。同期，太鋼公司生產(chǎn)的DZ2鋼車軸順利通過鐵路公司組織的上車評審，并成功應(yīng)用于中國標準動車組列車。我國各類列車最常用的車輪、車軸材料相應(yīng)標準見表1。

2 輪軸損傷形式

2.1 車輪損傷

車輪損傷主要包含踏面磨耗、輪緣磨耗、表面滾動接觸疲勞、踏面剝落凹坑、踏面熱疲勞裂紋、麻點、踏面擦傷以及非圓多邊形磨耗。Beven等[6]研究表明滾動接觸疲勞和踏面損傷在各種損傷中所占比例可分別達到41%和26%，圖2為車輪各種損傷形式占總損傷比例示意圖。

車輪疲勞損傷較為普遍且危害更大，其形式有滾動接觸疲勞損傷、輪輞斷裂、踏面剝離損傷以及表面熱疲勞損傷等。在輪軌滾動接觸過程中，當累積塑性應(yīng)變達到材料臨界值時，微裂紋將在材料表面或者次表面形核和擴展[7]。圖3為萌生于車輪表面的滾動接觸疲勞裂紋導致的踏面損傷圖。

2.2 車軸損傷

車軸是主要承力構(gòu)件，當列車運行時，軌道彎曲或不平整等因素會對車軸產(chǎn)生巨大沖擊，對車軸材料造成很大損傷。除此之外，車軸損傷形式主要有以下4種：①輪對、齒輪以及軸承壓裝面處微動疲勞損傷;②服役或檢修過程中打傷、碰傷;③ 服役過程中腐蝕損傷;④軸承故障或過載造成車軸損傷。其中，微動疲勞損傷是造成車軸失效主要原因。有報道指出，1980年我國共探傷發(fā)現(xiàn)4319根車軸輪座處發(fā)生明顯的微動疲勞損傷，其裂損率為6.9% [8];俄羅斯在1993年因發(fā)現(xiàn)微動疲勞裂紋而報廢的車軸有6800 根[9]。

3 輪軸材料失效影響因素、形式及機理

3.1 輪軸材料失效因素

3.1.1 設(shè)計

車軸設(shè)計是為保證車軸在給定條件下安全服役，基于運行條件可能發(fā)生的狀況，建立相對應(yīng)的設(shè)計標準，最終選擇合適的車軸材料、尺寸以及結(jié)構(gòu)，形成相關(guān)技術(shù)文件[10]。車軸設(shè)計直接關(guān)系到車軸服役壽命，是車軸安全服役第一道關(guān)口。因此，車軸設(shè)計應(yīng)是最先考慮的問題，也是引起車軸失效重要因素之一。

3.1.2 制造工藝

車軸制造工藝流程如下：冶煉→鑄、軋→鍛造→熱處理→熱校直→粗加工→超聲探傷檢查→粗加工→精加工→外觀、尺寸檢查→磁粉探傷檢查。

從車軸制造工藝流程來看，可能會產(chǎn)生材質(zhì)偏析、非金屬夾雜物超標、疏松、夾渣、起層、冷熱裂紋、熱處理工藝不當、晶粒不均、粗大、強度不足、機加工尺寸公差和表面粗糙度不合格等問題[11]。各種缺陷可能在車軸服役過程中促進微裂紋形成，造成車軸提前失效。

3.1.3 裝配

輪軸通過壓裝方式進行組合。如果車軸“裝配不良”，在旋轉(zhuǎn)彎曲載荷作用下輪座處會產(chǎn)生微動損傷，進而引起裂紋萌生、擴展，最終導致車軸斷裂。因此，車軸組裝前必須經(jīng)過嚴格質(zhì)量檢查，符合質(zhì)量標準要求后，才能進行組裝。組裝時，壓裝曲線必須符合規(guī)范，周勇等[12]通過試驗指出，對同軸度、引導套和引導角進行優(yōu)化可大大減少輪對壓裝損傷，提高輪對壓裝質(zhì)量，進而延長服役壽命。

3.1.4 服役環(huán)境

車輪表面狀態(tài)主要由加工決定，輪對在服役中受雨水、冰雪、潮濕等環(huán)境侵蝕會發(fā)生損傷。吳菲等[13]在 NaCl溶液下研究C、Si含量對車輪鋼耐腐蝕影響，研究表明，隨著C含量增加及Si含量降低，車輪鋼穩(wěn)態(tài)腐蝕速率增大。任學沖等[14]研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的裂紋均萌生自輻板表面腐蝕坑，車輪鋼疲勞極限值大大降低。

此外，溫度也是影響輪軸材料性能的重要因素之一。我國幅員遼闊，各地氣候溫差顯著。列車在運行過程中要承受環(huán)境溫度劇烈變化，因此輪對用鋼低溫力學性能關(guān)乎其服役安全。王少杰等[15]對ER8車輪鋼低溫力學性能研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度降低，其沖擊韌性迅速下降。任學沖等[16]在-80～20°C溫度下，對高速車輪鋼試樣分別進行拉伸、斷裂韌性以及沖擊韌性試驗，發(fā)現(xiàn)該溫度下高速車輪鋼斷裂韌性和沖擊韌性處于韌—脆轉(zhuǎn)變區(qū)，試樣裂紋尖端轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯咏饫砥鹆选?/p>

3.2 輪軸材料失效形式及機理

3.2.1 車軸內(nèi)部缺陷與車軸冷切

車軸內(nèi)部缺陷是指材料有夾雜物、成分偏差、組織不正常、縮孔等，產(chǎn)生原因主要是制造過程中熱處理控制不當。其服役時疲勞裂紋易萌生于車軸內(nèi)部缺陷處，只有通過超聲波探傷檢查才可以發(fā)現(xiàn)[10]。

3.2.2 軸頸裂紋與車軸冷切

未按照技術(shù)標準組裝車軸和軸承，或者有異物進入裝配區(qū)，將引起軸頸和軸承配合部邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中，易萌生微觀裂紋，造成車軸斷裂[10]，如圖4所示。

3.2.3 輪座內(nèi)側(cè)微動疲勞和微動腐蝕

車軸所處環(huán)境不良、車軸材質(zhì)強度偏低、輪座表面加工質(zhì)量差、壓裝損傷、承受載荷偏大等因素易引起輪座內(nèi)側(cè)1～10mm位置產(chǎn)生微動腐蝕。該位置是車軸旋轉(zhuǎn)彎曲載荷作用下的高應(yīng)力區(qū)。在車軸運用時，腐蝕介質(zhì)與原有輪座表面損傷和車軸旋轉(zhuǎn)彎曲形成的微動摩擦共同作用，誘發(fā)疲勞裂紋[10-11]。

Zhu等[29]對系列服役后車軸的損傷研究結(jié)果顯示：輪座過盈配合區(qū)邊緣均發(fā)生了不同程度微動損傷;在靠電機軸側(cè)的輪座損傷帶發(fā)生嚴重微動疲勞損傷;微觀裂紋常萌生于邊界1 mm左右的地方，環(huán)繞車軸周向。微動疲勞裂紋形態(tài)一般呈多源性和臺階狀特征，傾向于與表面呈大約60°的次表面萌生狀態(tài)，與彎曲微動疲勞試驗研究結(jié)果吻合較好[17]，圖5為失效車軸輪座微動損傷部位表面、剖面和斷口分析圖。

微動在運行于混合區(qū)時，裂紋易萌生和擴展，該位置是車軸最危險的部位。日系動車車軸輪座部位殘余壓應(yīng)力隨著服役里程的增加呈現(xiàn)增加趨勢，而表面硬度幾乎呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢，圖6、圖7為日系車軸不同里程殘余應(yīng)力及表面硬度分布示意圖。

目前無損探傷技術(shù)無法檢測到過盈配合區(qū)的微觀裂紋，當探測到時，裂紋已擴展到宏觀裂紋，車軸將很快失效。因此，輪座微動疲勞成為影響車軸疲勞壽命的主要因素，需要高度重視其對安全可靠性的影響。

3.2.4 輪座粗糙度超標與車軸冷切

輪座加工粗糙度超標主要表現(xiàn)為存在加工刀痕，達不到標準規(guī)定Ra1.6μm的要求。在車軸運行中，會在鑲?cè)氩績?nèi)側(cè)5～10mm的高應(yīng)力區(qū)，沿刀痕萌生疲勞裂紋，引發(fā)車軸冷切事故 [10-11]。

3.2.5 輪座壓裝損傷與車軸裂斷

壓裝損傷主要表現(xiàn)在輪座表面有可見魚鱗片帶和擠壓包。魚鱗片帶方向是從輪座外側(cè)指向輪座內(nèi)側(cè)，擠壓包在魚鱗片帶前端。在魚鱗片根部往往有裂紋，裂紋處的應(yīng)力集中，使裂紋易擴展從而引起車軸疲勞斷裂 [10-11]。

3.2.6 軸身鏟痕與軸身碰傷

車軸服役過程中，軸表面鏟痕處產(chǎn)生應(yīng)力集中，萌生疲勞裂紋;軸身碰傷會引起缺口效應(yīng)，導致應(yīng)力集中，從而誘發(fā)微裂紋在凹痕處萌生，逐步擴展導致車軸疲勞斷裂[10-11]。

4 檢測及評價

目前，國內(nèi)外針對車軸服役性能的檢測手段主要包括：磁粉探傷、滲透檢測、渦流檢測、超聲波檢測，幾種檢測方式的優(yōu)缺點見表2。除此之外，基于力學和有限元模擬實現(xiàn)對輪軸材料強度、服役壽命的評估，逐漸發(fā)展為一種主流檢測手段。1998年，Ishida H [18]通過在車輪輻板上布置電橋?qū)崿F(xiàn)了對線路橫向力和垂向力的實測，得到脫軌系數(shù)以及軸箱垂向加速度等參數(shù)，為壽命預(yù)測模型提供數(shù)據(jù)支撐。唐道武等[19]將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于輪軸疲勞強度評估，陸超等[20]基于Hypermesh與Ansys的聯(lián)合仿真，實現(xiàn)對車軸靜強度與位移變形的計算。趙永翔等[21]研究表明，通過半輪對輪軌接觸的有限元計算，可實現(xiàn)輪對結(jié)構(gòu)輪軸疲勞的近似評價。實際檢測手段與有限元模擬技術(shù)相結(jié)合的方式，保證了輪軸疲勞強度以及服役性能的有效評估。

5 防護措施

5.1 采用表面技術(shù)

列車運行速度的不斷提高，對車軸耐磨性提出了更高的要求。傳統(tǒng)改善耐磨性鍍膜方法主要有堆焊和熱壓噴涂。堆焊的涂層和基體結(jié)合強度高，但會引起基體變形。熱壓噴涂涂層較薄，與基體結(jié)合力弱。新近出現(xiàn)的激光熔覆技術(shù)克服了以上傳統(tǒng)方法制備復合涂層的缺點，其熔覆材料廣泛，制備涂層厚度可控、結(jié)合強度高[22]。

5.2 車軸再制造技術(shù)

車軸再制造的核心是恢復因劃傷和磕碰以及去除表面疲勞層導致的缺失尺寸，通過合適的再制造技術(shù)和工藝，使修復后車軸達到或超過新造車軸性能。目前，針對車軸損壞情況，適合的技術(shù)主要有電刷鍍、TIG堆焊、熱噴涂和激光熔覆[22]。

5.2.1 電刷鍍技術(shù)

電刷鍍技術(shù)是在零件表面快速放電結(jié)晶而形成鍍層，有工藝簡單、速度快、性能穩(wěn)定、費用低廉等優(yōu)點，被廣泛用于機械零部件表面修復和表面強化。不但能恢復零件的尺寸、公差和配合精度，還能提高零件服役壽命[22]。

5.2.2 TIG堆焊技術(shù)

堆焊技術(shù)是通過外加熱源使母體材料與所覆特殊性能合金材料熔合，從而具有合金材料的特殊性能。TIG 堆焊具有工藝穩(wěn)定、高可靠性、易實現(xiàn)自動化和節(jié)省材料的特點，廣泛地應(yīng)用于冶金、電站、鐵路、車輛、核動力及工模具等制造修復中。

Л. Γ. Γорстко 等[24]研究采用自動TIG堆焊修復因螺紋損壞而報廢的列車車軸，發(fā)現(xiàn)修復螺紋質(zhì)量優(yōu)于新螺紋。但其內(nèi)部殘余應(yīng)力較大，會引起幾何變形，不滿足尺寸要求，甚至會造成堆焊層剝離。為了使堆焊技術(shù)能更好地滿足需求，還需改進堆焊材料和工藝[9-10]。

5.2.3 熱噴涂技術(shù)

熱噴涂技術(shù)具有涂層材料廣泛、基體材料及形狀尺寸不受限、厚度易控制、工藝簡單、成本低、效率高等特點，已成功應(yīng)用于航空航天、石油化工、礦山機械、電力等領(lǐng)域再制造。程江波等[25]采用Fe基非晶/納米晶復合材料對發(fā)動機曲軸軸頸磨損部位進行再制造研究，發(fā)現(xiàn)再制造后產(chǎn)品質(zhì)量與新品相當，綜合成本僅為原新品的1/10。劉偉等[26]選用舊車軸，按4 ： 1尺寸縮比加工成輪對，在旋轉(zhuǎn)彎曲試驗機上進行模擬試驗，結(jié)果表明0.5mm厚的修復涂層耐微動疲勞和磨損性能較高，達到車軸延壽的目的。

5.2.4 激光熔覆技術(shù)

激光熔覆技術(shù)具有綠色、節(jié)能、環(huán)保等特點，能夠制備連續(xù)、大面積厚熔覆層，滿足實際零部件延壽和修復再制造需求，處理的零件質(zhì)量甚至可超過新品[22， 27]。李叢辰等[23]的研究表明，在EA4T鋼表面熔覆Fe314合金后，樣品屈服強度和抗拉強度均高于標準值。許妮君等[27]研究表明，熔覆層表層硬度最高，過渡層次之。工程實踐表明，車軸經(jīng)過激光熔覆技術(shù)處理后，能消除表面微動損傷，進而延長車軸服役壽命[28]。通過調(diào)控熔覆粉末，提高熔覆脫氧性和浸潤性，調(diào)節(jié)Ni、Mo等微量元素，達到晶粒細化，使修復區(qū)綜合機械性能接近甚至高于母材[22]。

6 結(jié)語

文章介紹目前動車用輪軸的材料、損傷形式及機理，以及提高輪軸材料服役壽命措施等方面的研究和進展，得出以下結(jié)論。

（1）降低碳含量并結(jié)合微合金化是目前發(fā)展高速、重載軌道機車用輪軸材料的主要趨勢，結(jié)合實際服役環(huán)境，確定碳及合金元素最佳比例，使材料性能滿足服役安全需要。

（2）車輛在行駛過程中，車軸會承受極其巨大的動載荷，特別是在經(jīng)過鋼軌接頭、道岔以及不平線路的時候，車軸受到?jīng)_擊載荷會加劇車軸提前失效，冷切是車軸斷裂主要形式。微動疲勞損傷是誘發(fā)車軸輪座部位微裂紋形成主要原因。

（3）在提高輪軸服役安全可靠性方面，應(yīng)掌握車軸隨服役里程增加的損傷演變規(guī)律，針對不同損傷進行修復;在提高輪軸材料服役壽命方面，需探索合適的表面處理技術(shù)，在服役之前對輪軸材料進行處理，以提高其服役壽命;結(jié)合再修復技術(shù)，對損傷輪軸進行處理使其再次利用。

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收稿日期 2020-01-03

責任編輯 司玉林